摘要：柴油发电机待测排放物主要有CO、HC、NOx、烟度和微粒等，根据需要也可测量CO₂和O₂。为统一评价，有关排放测试规范中对试验方法及测量设备进行了相关规定。目前常用的排放分析仪有日本HORIBA的多组分排放气体分析仪和AVL的多功能排放分析仪，用于测量CO、HC、NOx、CO₂和O₂等排放气体。烟度一般用波许烟度计或不透光烟度计测量，微粒则通过全稀释风洞进行精确测量（设备昂贵），试验研究阶段通常采用分流稀释风道并通过过滤称重法测量滤纸上的颗粒质量。本文系统阐述了NOx的化学发光法（CLD）测量原理——基于NO与O₃反应产生化学发光的现象，通过测量发光强度测定NO含量，NO₂则通过催化转换器（效率>95%）转换为NO后再测量，给出了化学发光反应式（NO+O₃→NO₂+O₂，NO₂→NO₂+hv）及发光强度与NO浓度的正比关系（I=K₁C_NO）；详细解析了CO和CO₂的不分光红外线分析仪（NDIR）测量原理——基于气体分子对特定波长红外辐射的吸收特性（比尔-郎伯定律I=I₀e^{-εcs}），并说明了试样管与参比管比较测量、检测室内膜片电容变化转换为电信号的工作原理；介绍了HC的氢火焰离子化法（FID）测量原理——利用氢火焰（2000 °C）将HC电离为离子，通过检测离子电流（与HC浓度成正比）测定HC含量，且H₂燃料燃烧不产生干扰离子。本文可为柴油发电机尾气排放检测提供技术原理参考。
一、NOx的测量——化学发光法（CLD）
发电用柴油发电机尾气排放中的NOx主要包括NO和NO₂。在排放法规中规定，测量NOx采用化学发光法（CLD，Chemiluminescence Detection）。该测试方法基于NO和O₃在反应过程中产生化学发光的原理，通过测量与NO含量成正比的发光强度来测定NO的含量，而NO₂则是通过催化转换器将NO₂转换为NO以后再进行测量的。图1所示为NO测量原理示意图，其中：
在O₃发生器上，通过对O₂高压放电（电晕放电法）或采用光分解氧法来产生O₃（臭氧）。
在催化转换器上，通过催化反应 将NO₂转换为NO。在排放法规中，限定其转换器效率须大于95%（即至少95%的NO₂被成功转换为NO）。
1. 化学发光反应原理
NO和O₃在反应器中混合发生化学反应，产生激发态的二氧化氮（NO₂）。这些NO₂分子衰减到基态二氧化氮（NO₂）时，发射波长为0.6～2.5 μm的光子（）。该反应机理为：
式中，为普朗克常数（J·s），为光子的频率（Hz）。
2. 发光强度与NO浓度的关系
化学发光强度 与O₃和NO两个反应物浓度的乘积成正比：
由于反应器中O₃浓度远高于NO浓度且基本保持不变（O₃过量），因此上式可简化为：
式中，为常数（综合了O₃浓度及反应速率常数等因素）。化学反应发出的光由光电倍增管接收并放大后，送往记录仪进行检测。由于发光强度与NO浓度呈线性关系，通过标定即可确定NO的浓度值。
图1 柴油机NO排放测量原理图
二、CO和CO₂的测量——不分光红外线分析仪（NDIR）
在排放法规中，发电机组尾气排放中的CO和CO₂排放量的测量推荐采用不分光红外线分析仪（NDIR，Non-Dispersive Infrared Analyzer），如图2所示。该分析仪利用CO和CO₂等气体具有吸收某些特定波长电磁辐射的能力来进行测量，因此要求被测气体分子具有电偶极矩或磁偶极矩（即分子在振动或转动时产生红外吸收）。
1. 分子红外吸收原理
被测的CO和CO₂等气体分子通过电磁辐射作用，从基本能级被激发到较高能级，此时分子中的电子将占据其他轨道，或分子的振动能级/转动能级发生变化。分子激发的重要条件是：射入电磁波的能量恰好等于分子能级之间的能量差（）。这种共振条件只有电磁谱线上的特定频率才能满足，而该频率对应着特定的气体分子。这种激励可通过单色光实现，也可通过一定波段的混合光实现（NDIR即采用宽带红外光源）。
2. 比尔-郎伯定律
在气体样品中，被测成分的含量通过测量入射光线在经过一定长度的被测气体后的透射量来测定。透射光的辐射强度 与光所通过的被测气体之间的关系用比尔-郎伯定律（Beer-Lambert Law）表示：
式中：
—— 透射光的辐射强度；
—— 入射光的辐射强度；
—— 吸收系数（与气体种类和波长有关）；
3. 不分光红外线分析仪的构成与工作原理
不分光红外线分析仪由光源、挡光片（斩波器）、试样管、参比管、过滤室、检测室及放大器等组成，其工作过程如下：
（1）光源系统：由两个红外光源（S₁和S₂）构成，在约800 °C的温度下发出同样强度的红外辐射。
（2）斩波调制：挡光片以一定频率同步断续地遮挡两个光源发射的红外线，使进入两个管路的红外线呈脉冲式，便于检测室产生交变信号。
（3）试样管与参比管：光源S₁发射的红外线经挡光片和试样管（C₁）内的被测气体后，到达过滤室F₁。试样管内部需高度抛光且镀金，以减少红外线在管壁上的反射损失；管内被测气体需连续通过（动态采样）。光源S₂发射的红外线经挡光片和参比管（C₂）后到达过滤室F₂。参比管内封有不吸收红外线的氮气（N₂），作为测量参考基准。
（4）过滤室：在过滤室内封有过滤气体，用于消除干扰气体对测量的影响（避免干涉现象，即不同气体对相同波长的竞争吸收）。
（5）检测室（气动检测器）：检测室D分为上室和下室，由金属膜片隔开，膜片与固定电极构成电容器的两个极板。
（6）信号产生与检测：当光源S₁发出的红外线通过试样管时，管内的CO或CO₂气体吸收部分红外能量，因此到达检测室时，其能量已衰减。而参比管内的氮气不吸收红外能量，因此光源S₂发射的红外线到达检测室时，能量未发生变化。
检测室内封有同种被测气体，可完全吸收红外能量。但因上、下两个室所接受的红外能量不同（上室接收入射光，下室接收衰减光），造成两室内部温度和压力不同（压力差与气体浓度成正比）。在压差作用下，膜片产生位移，改变电容器两极板之间的距离，从而引起电容量变化。输出的电信号与被测气体含量成正比，经放大器放大后送往记录仪完成检测。
图2 不分光红外线分析仪原理图
三、HC的测量——氢火焰离子化法（FID）
发电机组尾气排放物中的HC（碳氢化合物）排放量，在有关排放法规中规定采用氢火焰离子化法（FID，Flame Ionization Detector）来测量。图3所示为氢火焰离子化法的测量原理示意图。
1. 离子化原理
当点火器点火后，在检测室内产生约2000 °C的高温氢火焰。在该高温下，HC（碳氢化合物）分子被电离（化学键断裂，生成碳正离子等带电粒子），其正离子向收集极（负极）运动，形成离子电流。该电流强度与被测气体中HC的分子个数（碳原子数）成正比。因此，通过检测离子电流强度，即可测定被测气体中的HC含量。
2. 测量特性与干扰排除
（1）H₂燃料在燃烧时只产生高温而不产生离子，因此不会干扰HC的测量（背景电流极低）。
（2）FID对HC的响应与碳原子数成正比（即每个碳原子产生的离子信号大致相等，不同烃类响应因子略有差异，但总体上以甲烷为当量表示）。
（3）该方法的检测灵敏度高（可检测ppm级HC），响应速度快，适合实时连续测量。
（4）测量结果通常以“甲烷当量”（ppm C或ppm C₁）表示，即将混合物中所有HC按碳原子数折算为等效的甲烷浓度。
图3 氢火焰离子化法的测量原理图
总结
柴油发电机尾气排放物的测量涉及多种物理化学原理和专用分析仪器。NOx采用化学发光法（CLD），基于NO与O₃反应产生化学发光的原理（，发光强度与NO浓度成正比），NO₂通过催化转换器（效率>95%）转换为NO后再测量；CO和CO₂采用不分光红外线分析仪（NDIR），利用气体分子对特定波长红外辐射的吸收特性，遵循比尔-郎伯定律（I=I₀e^{-εcs}），通过试样管与参比管的比较测量，由检测室膜片电容变化产生与被测气体含量成正比的电信号；HC采用氢火焰离子化法（FID），利用2000 °C氢火焰将HC电离为离子，通过检测离子电流（与HC浓度成正比）测定HC含量，H₂燃料不产生干扰离子，测量结果以甲烷当量表示。烟度用波许烟度计或不透光烟度计测量，微粒通过分流稀释风道和过滤称重法测定。上述测量方法与仪器的合理选用，是准确评估柴油发电机排放水平、验证其是否符合环保法规要求的技术基础。
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